安科瑞分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)

在上海寶鋼阿賽洛激光拼焊有限公司

屋頂光伏發(fā)電（二期）項目中應用

吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：隨著“雙碳"目標的提出,開發(fā)利用可再生能源已成為必然趨勢。新能源發(fā)電作為能源利用的一種重要形式,已經(jīng)受到越來越多的關注。相對于大容量、高電壓、遠距離輸送的集中發(fā)電方式,分布式光伏具有容量小、電壓低、就地消納等優(yōu)勢而被廣泛應用,近年來呈現(xiàn)跨越式發(fā)展趨勢,研究分布式光伏接入對配電網(wǎng)的影響,對于提升電網(wǎng)及人身安全具有重要意義。本文以分布式光伏為研究對象,結合工程實例,研究了分布式光伏接入配電網(wǎng)的電氣二次配置以及通信管理。

關鍵詞：新能源發(fā)電；分布式光伏；電氣二次配置；通信管理

1. 概述

上海寶鋼阿賽洛激光拼焊有限公司屋頂光伏發(fā)電項目（二期）（以下簡稱“本項目"）是響應國家“優(yōu)化能源結構，提供更加清潔、可靠的能源"的號召，投資建設的分布式光伏發(fā)電應用示范項目。

本項目位于上海寶鋼阿賽洛激光拼焊有限公司廠區(qū)內(nèi)，利用現(xiàn)有廠房屋頂建設分布式光伏發(fā)電項目，總建設規(guī)模約為712.8kWp。本項目投資方為上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術有限公司，光伏發(fā)電組件位于上海市嘉定區(qū)安亭鎮(zhèn)百安公路1369號，通過用戶配電站接入公共電網(wǎng)，屬于上海市電力公司嘉定供電公司管理范圍。

本文介紹光伏電站接入系統(tǒng)方案的論證，系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置、系統(tǒng)通信、系統(tǒng)調(diào)度自動化方案研究等。

圖 項目現(xiàn)場驗收圖

2. 現(xiàn)有電網(wǎng)情況

現(xiàn)有用戶配電站為10kV用戶變，站內(nèi)3臺10kV變壓器，變壓器容量為1250+1250+1600kVA。用戶變壓器通過10kV“31本4阿賽洛"線接入10kV本特開關站二段母線，再接入110kV百安10kV四段母線?，F(xiàn)已投運光伏1200kWp。

現(xiàn)有供電示意圖如下：

圖 用戶配電站現(xiàn)供電示意圖

3. 新增分布式光伏設計

本項目光伏組件、支架及相關設備等安裝在一二期屋面的低跨區(qū)域，鄰接已安裝一期光伏設備的高跨屋面。一二期產(chǎn)線屋面（低跨）為彩鋼瓦結構，屋面板為角馳Ⅲ型結構。整個屋面跨度為55米，長189米，總面積約10000平方米。除去采光帶及排氣通風等設施，屋面可利用率約75%，而光伏設備的占用面積約5000平方米。

寶鋼阿賽洛一二期廠房屋面原設計恒荷載標準值為0.3kN/m2，在本光伏項目中，安裝光伏組件和光伏支架增加恒荷載0.13 kN/m2，經(jīng)計算，屋面檁條及剛架梁柱的部分區(qū)域不滿足強度及穩(wěn)定性要求，需要對屋面檁條以及剛架梁柱的局部區(qū)域進行加固處理。對于屋面檁條，可通過在下方增加隅撐的方式進行加固；對于梁和柱，在不滿足的區(qū)域進行兩側(cè)貼鋼板加固。

圖 光伏組件示意圖

在廠房東側(cè)鄰接的電氣室的外側(cè)綠化帶內(nèi)，將安裝本項目的升壓變壓器及并網(wǎng)設備，采用箱式變電站的形式。箱式變電站占用面積約40平方米。逆變器輸出的交流電升壓至10kV后接入高壓開關柜，再通過1回出線接入位于1期電氣室的廠區(qū)進線10KV母排，在母排處拼裝高壓并網(wǎng)進線柜，實現(xiàn)并網(wǎng)。設備位置見以下示意圖，最終布置以詳細設計完成后出具的施工圖紙為準。

另外在此區(qū)域內(nèi)已安裝有一期光伏電站的組件沖洗水箱，因此將共用沖洗水站，二期將在屋面上擴展安裝沖洗管網(wǎng)。

圖 平面關系示意圖

4. 技術方案

本項目規(guī)模約為712.8kWp，利用廠房屋頂建設光伏發(fā)電系統(tǒng)，關鍵設備光伏組件、逆變器、變壓器等采用國內(nèi)**產(chǎn)品。分布式光伏系統(tǒng)所發(fā)電量采用就地消納，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。本項目光伏發(fā)電系統(tǒng)所輸出的直流電經(jīng)組串式逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后，就地升壓至10KV，經(jīng)開關柜通過1回出線接入至廠區(qū)10KV進線母線的用戶側(cè)，實現(xiàn)并網(wǎng)，供廠區(qū)負荷使用。結合用戶的總廠用變壓器容量（4100KVA）及一期已經(jīng)并網(wǎng)運行的光伏系統(tǒng)總量（1200kW）分析，光伏并網(wǎng)容量不超過廠變?nèi)萘康?0%，再根據(jù)屋面的勘查情況考慮，確定本光伏項目的建造容量為712.8kWp為宜。

4.1. 升壓變壓器及高低壓配電設備

本項目配備1臺三相交流800KVA的干式變壓器。額定電壓10.5±2×2.5%/0.38kV，接線組別為 Dy11。交流頻率為50Hz,可以戶外使用，能效等級滿足國家規(guī)范要求。

變壓器一次側(cè)接入自交流匯流柜或低壓接入柜輸出的線路，交流匯流柜負荷開關兼具通斷保護功能，變壓器二次側(cè)輸出接至10KV進回線，配備開關柜、PT柜及計量柜，采用預制艙設計安裝。開關柜輸出后經(jīng)1回10KV高壓交流電纜直接接至光伏并網(wǎng)進線柜，進線柜與廠區(qū)10KV進線母線拼接，利用母排連接，具體接入方式以實際設計為準。

4.2. 繼電保護及安全自動裝置

本光伏電站內(nèi)主要電氣設備采用微機保護，以滿足信息上送。元件保護按照《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》（GB14285－2006）配置。

1）并網(wǎng)線路繼電保護及安全自動裝置

分布式光伏項目線路發(fā)生短路故障時，線路保護應快速動作，瞬時跳開相應并網(wǎng)點斷路器，滿足全線故障快速可靠切除故障的要求。安裝光伏發(fā)電項目的用戶變電站10kV母線應配置故障解列裝置，實現(xiàn)頻率電壓異常緊急控制功能，跳開相應斷路器（專用開關）。

2）防孤島檢測

分布式光伏項目逆變器必須具備快速檢測孤島且監(jiān)測到孤島后立即斷開與電網(wǎng)連接的能力，其防孤島方案應與繼電保護配置、安全自動裝置和低電壓檢測裝置等相配合，時間上相匹配。該逆變器防孤島檢測策略應符合國家電網(wǎng)的相應規(guī)定

逆變器具備極性反接保護、短路保護、低電壓穿越、孤島效應保護、過熱保護、過載保護、接地保護等。高壓開關柜上裝設測控保護裝置，設置過電流保護、零序過電流保護。測控保護裝置以通訊方式將所有信息上傳至光伏本地監(jiān)控系統(tǒng)。

本項目光伏電站在故障或異常運行狀態(tài)時能夠迅速斷開與系統(tǒng)的并網(wǎng)連接,停止向電網(wǎng)送電，不會對現(xiàn)有系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響。

圖 新建光伏一次圖

5. 系統(tǒng)結構

本項目光伏電站配置一套綜合自動化系統(tǒng)，采用安科瑞電氣股份有限公司所提供的Acrel-Cloud1200分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)具有保護、控制、通信、測量等功能，可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)、開關站的全功能綜合自動化管理。本項目逆變器、高低壓設備等狀態(tài)信號都要接入本監(jiān)控系統(tǒng)。

本項目光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)包括兩部分：站控層和就地層，網(wǎng)絡結構為開放式分層、分布式結構。

監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與就地層相連,就地層按照不同的功能、系統(tǒng)劃分，以相對獨立的方式分散在逆變器區(qū)域或箱變中，在站控層及網(wǎng)絡失效的情況下，就地層仍能獨立完成就地各電氣設備的監(jiān)測。計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過遠動工作站GPRS公網(wǎng)與上海市電力公司實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

站控層由計算機網(wǎng)絡連接的服務器、操作員站、遠動站等組成，提供站內(nèi)運行的人機界面，實現(xiàn)管理控制就地層設備等功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并具備與遠方控制中心通信的接口。

就地層設備由智能測控單元、網(wǎng)絡系統(tǒng)通訊單元、逆變器數(shù)據(jù)采集單元、多功能電能表等構成，主要電氣設備包括微機保護、防孤島保護、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、故障解列裝置、多功能儀表、逆變器、箱變測控等設備。它直接采集處理現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡傳送給站控層監(jiān)控主站，同時接收站控層發(fā)來的控制操作命令，經(jīng)過有效性判斷、閉鎖檢測、同步檢測等，最后對設備進行操作控制。

每個光伏發(fā)電單元配帶無線發(fā)射功能的數(shù)據(jù)采集裝置，采集每組光伏組件數(shù)據(jù)，逆變器參數(shù)，測控裝置、智能計量表計的數(shù)據(jù)，打包后通過無線網(wǎng)絡傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)視。

圖 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

項目配置設備清單如下表所示：

表 方案設備列表

6. 系統(tǒng)功能

6.1. 光伏發(fā)電效率監(jiān)測

通過現(xiàn)場測控單元、數(shù)據(jù)采集器采集有關信息，進行包括對數(shù)據(jù)合理性校驗在內(nèi)的各種預處理，實時更新數(shù)據(jù)庫，其范圍包括模擬量，數(shù)字量和脈沖量等。

（1）模擬量

模擬量包括電流、電壓、有功、無功、頻率、功率因數(shù)等電量數(shù)據(jù)和日照強度、風速、風向、溫度、濕度、氣壓等非電量數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)字量

數(shù)字量采集含逆變器運行狀態(tài)、故障信號，開關、隔離開關以及接地刀閘的位置信號，保護動作信號、運行監(jiān)視信號等。

圖9 實時監(jiān)測主界面圖

6.2. 分布式光伏電站運維管理

Acrel-Cloud1200分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)報警處理分事故報警和預告報警。前者包括非操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號，后者包括一般設備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量越限/復限、計算機站控系統(tǒng)的各個部件、就地單元的狀態(tài)異常等等。

（1）事故報警

事故報警發(fā)生時，公用事故報警器將立即發(fā)出音響報警，監(jiān)控畫面上用顏色改變和閃爍表示該設備變位，同時顯示紅色報警條文，打印機打印報警條文，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置向遠方控制中心發(fā)送報警信息。事故報警通過手動或自動方式確認。

（2）預告報警

預告報警發(fā)生時，其處理方式除與事故報警處理相同外，音響和提供信息顏色可區(qū)別于事故報警。能有選擇地向遠方發(fā)送信息。

圖 報警界面圖

6.3. 人機界面

能通過顯示器對主要電氣設備運行參數(shù)和設備狀態(tài)進行監(jiān)視，畫面支持雙屏顯示，畫面操作支持無級縮放，可以平滑漫游，具有導游圖功能。具有網(wǎng)絡拓撲分析功能，能對設備進行動態(tài)著色，確定帶電設備的顏色。主要顯示畫面包括：

（1）運行監(jiān)視圖，包括顯示設備運行狀態(tài)、各主要電氣量(電流、電壓、頻率、有功、無功)、環(huán)境數(shù)據(jù)(氣溫、濕度、氣壓、風速、風向、日照強度等)等的實時值；

（2）網(wǎng)絡監(jiān)視圖，用圖形方式及顏色變化顯示出計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設備配置、連接狀態(tài)；

（3）發(fā)電量實時監(jiān)視圖，通過柱狀圖及數(shù)據(jù)表直觀的查看和對比每臺逆變器實時發(fā)電量信息，同時可以通過鏈接查看和對比發(fā)電量曲線；

（4）發(fā)電單元監(jiān)控圖，顯示每個發(fā)電單元詳細信息，允許手動控制、和調(diào)節(jié)每個發(fā)電單元運行工況；

（5）各種保護信息及報表

（6）二次保護配置圖，反映各套保護投切情況、整定值等

（7）控制操作過程記錄及報表

（8）事故追憶記錄報告或曲線、事故順序記錄報表

（9）趨勢曲線圖、棒狀圖

（10）各種統(tǒng)計及功能報表等。

圖 人機界面一次圖

7. 結語

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)依靠清潔、可再生的特點廣泛應用，但發(fā)電量呈顯著的非穩(wěn)定特性，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益構成了調(diào)成，因此分布式光伏項目并網(wǎng)時需要接受調(diào)度主站系統(tǒng)的調(diào)控，助力用戶、電網(wǎng)分布式光伏高比例有序并網(wǎng)，強化分布式光伏的統(tǒng)一管控，推動分布式光伏和大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行，搭建數(shù)據(jù)透明、調(diào)控便捷、能源互動的新型分布式新能源調(diào)度管理體系。

參考文獻

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作者介紹：

吳柯霓，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究變電站綜合自動化解決方案、分布式光伏監(jiān)控解決方案。